太陽能—地源熱泵的聯(lián)合運(yùn)行方式研究

張濤

摘 要：介紹了太陽能-地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，一種新型節(jié)能、環(huán)保的供暖（供冷）系統(tǒng)，并分別對不同的太陽能系統(tǒng)和地源熱泵系統(tǒng)連接方式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)的分析，并具體給出了幾種兩個系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行方式。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合運(yùn)行；太陽能；地?zé)嵩?；熱?/p>

我們當(dāng)前正面臨著巨大的能源挑戰(zhàn)，提高能源的利用率，節(jié)能減排政策加快實(shí)施，新能源和可再生能源合理、有效的研發(fā)應(yīng)用，將會是我們?nèi)祟悓?shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。據(jù)不完全統(tǒng)計到2035年，世界對一次能源需求量將會上升36%，相當(dāng)于使用167 t 石油[1]。 近年來，大多數(shù)國家都將重心轉(zhuǎn)移到可再生能源和新能源的合理開發(fā)利用，這將是未來很長一段時間內(nèi)一項重要的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[2]。 太陽能和地?zé)崮軐侨祟悮v史中取之不盡用之不竭的新能源和可再生能源，對其合理、有效的利用將會是今后能源發(fā)展的一個重要方向.

我國地域遼闊，年日照時間大于2000h的地區(qū)占全國面積的2/3，處于利用太陽能較有利的區(qū)域內(nèi)[3]，但太陽能的利用還存在著一定的局限性，太陽輻射受晝夜、季節(jié)、海拔高度等自然條件的限制以及陰雨天氣等隨機(jī)因素的影響較大，存在著很大的不穩(wěn)定性和間歇性。因此若要長期單獨(dú)只用太陽能作為熱源運(yùn)行系統(tǒng)，必須靠輔助熱源才可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

"地源熱泵"的概念，最早是在912 年由瑞士的專家提出[4]，它利用地下埋管換熱器與大地進(jìn)行熱量交換，把大地作為低位熱源和排熱場所的熱泵裝置。地源熱泵在連續(xù)運(yùn)行時會因埋地管在土壤中的連續(xù)取熱或者放熱而導(dǎo)致埋管周圍土壤的溫度的相對降低或者升高，從而引起熱泵蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變化，系統(tǒng)的運(yùn)行效率的降低；另一方面，土壤的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，換熱強(qiáng)度弱，在相同的負(fù)荷情況下所需要的換熱面積大，因此埋管用量多，占地面積大[5-7]。

太陽能和地源熱泵系統(tǒng)單獨(dú)應(yīng)用時存在的缺陷最好的辦法是結(jié)合使用兩種能源，互相彌補(bǔ)自身不足，提高資源利用率。本文主要是對太陽能和地源熱泵聯(lián)合運(yùn)行方式的探究。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和聯(lián)合運(yùn)行原理

太陽能-地源熱泵系統(tǒng)如圖1所示。本文主要研究的是供暖季下該系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行模式。

2.系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式

太陽能-地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行有三種不同的運(yùn)行模式：一、串聯(lián)模式；二、并聯(lián)模式；三、蓄熱模式。

運(yùn)行模式一：實(shí)現(xiàn)太陽能-地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式一的控制方式是：1、3、15、16、7、8、、9、10、11、12、13、14和水泵P1、P2開啟，其他閥門和水泵關(guān)閉?？梢?，該模式中地埋管換熱器和太陽能集熱器的耦合方式為串聯(lián)，載熱循環(huán)流體先流經(jīng)地埋管后進(jìn)入太陽能集熱器，然后再進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器。夜間或陰天情況下集熱器關(guān)閉，循環(huán)流體出地埋管后經(jīng)集熱器的旁通直接進(jìn)入熱泵機(jī)組蒸發(fā)器。

運(yùn)行模式二：實(shí)現(xiàn)太陽能-地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式二的系統(tǒng)控制方式是：閥門1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、和水泵P1、P2開啟，其他閥門和水泵關(guān)閉。該模式中地埋管換熱器和太陽能集熱器的耦合方式為并聯(lián)。夜間或陰天集熱器關(guān)閉，此時運(yùn)行模式變?yōu)橥寥涝礋岜脝为?dú)運(yùn)行。該模式需要定義循環(huán)流體分別流經(jīng)地埋管換熱器和太陽能集熱器的流量比例，為了方便研究，定義了五中代表比例：e=0.1、e=0.15、e=0.2、e=0.5、e=0.75，其中e定義為流經(jīng)U型垂直地埋管的的循環(huán)流體的流量與循環(huán)流體總流量之比。

運(yùn)行模式三：實(shí)現(xiàn)太陽能-地源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模式三的控制方式是：白天，閥門1、3、4、5、14、水泵P1開啟實(shí)現(xiàn)地源熱泵單獨(dú)供暖：閥門9、10、12、17、18、水泵P3開啟實(shí)現(xiàn)太陽能-蓄熱水箱聯(lián)合運(yùn)行蓄熱；其他閥門和水泵關(guān)閉：夜間，閥門1、3、15、16、7、8、17、11、18、13、14和水泵P1、P2開啟實(shí)現(xiàn)地埋管換熱器和蓄熱水箱串聯(lián)運(yùn)行，其他閥門和水泵關(guān)閉。可見該模式包含了白天和夜間的兩種工況，白天單獨(dú)運(yùn)行土壤源熱泵供暖，同時利用太陽能集熱器加熱蓄熱水箱；夜間關(guān)閉集熱器，若此時蓄熱水箱內(nèi)蓄熱水平均水溫高于地埋管換熱器出口溫度時，串聯(lián)地埋管和蓄熱水箱進(jìn)行供暖。

3. 結(jié) 論

太陽能-地源熱泵系統(tǒng)與建筑制冷供熱的結(jié)合，是一種性能良好、經(jīng)濟(jì)可行且無污染的技術(shù)。而不同的耦合運(yùn)行方式具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，需針對不同季節(jié)的工況特點(diǎn)和需要實(shí)現(xiàn)的功能來選擇。太陽能-地源熱泵雖然由于技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)條件等方面受到制約，運(yùn)用還不是很廣泛，但在現(xiàn)在乃至將來都具有無限的潛力，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

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